CN109580302A - 一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法，装置包括工作台、模具组件和载荷施加组件，模具组件包括结构相同的1‑4号模具，模具配置有位移传感器、声发射探头和温度传感器；载荷施加组件包括支架和结构相同的1‑2号应力加载机构，1号应力加载机构与3号模具配合，2号应力加载机构与4号模具配合。方法为：配制尾矿膏体；向1‑4号模具中浇入尾矿膏体，去除气泡后将尾矿膏体封装在模具内；利用1号应力加载机构对3号模具内的尾矿膏体施加外载荷，利用2号应力加载机构对4号模具内的尾矿膏体施加外载荷；对尾矿膏体进行养护，养护期内使2号模具中的尾矿膏体保持恒湿状态；取出1‑4号模具中的试样，进行试样压缩实验，记录固化强度和变形特征。

Description

一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法

技术领域

本发明属于尾矿膏体室内加载实验技术领域，特别是涉及一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法。

背景技术

在深部矿山开采过程中，冒顶、片帮、采空区塌陷等问题逐渐暴露，为了保证地下采矿工艺和围岩稳定性，通常会对采空区进行充填处理，而从环境保护角度出发，将尾矿填充至地下采空区将是一个大趋势。

尾矿填充前，需要将尾矿配制成类似牙膏状的胶结体，而配制的尾矿膏体是由尾矿砂、胶结剂和水混合而成，并通过管道将尾矿膏体以结构流形态输出至采空区，直至原位固结硬化并形成具有一定强度的充填体。

尾矿膏体在固结硬化为充填体后，充填体的固化强度和变形特征是考量尾矿膏体的重要指标，其决定了充填体对围岩体的支护能力以及回采时的稳定性。

目前，为了获取充填体的固化强度和变形特征，需要在实验室内开展单轴压缩实验，而用于实验的充填体试样主要有两种获得方式，第一种方式为原位采集，第二种方式为室内制备。

对于原位采集方式来说，需要到采空区现场通过打钻孔的方式提取试样，但采空区的充填体体积十分庞大，有些充填体的体积可以达到30m(长)×30m(宽)×60m(高)，导致获取试样的过程十分麻烦，而且残留的钻孔孔洞必然会破坏充填体的完整性，会在一定程度上影响充填体的原始吸能性能。

对于室内制备方式来说，只需将配制好的尾矿膏体放入模具中自然固化成型即可，但是上述试样只能表征充填体的表层部分，而无法表征充填体的中层部分和底层部分；由于充填体的中层部分和底层部分在固化成型过程中始终承受来自重力作用下的挤压效应，导致充填体在不同高度位置拥有的孔隙密度存在差异，进而导致充填体在不同高度位置具有的固化强度和变形特征也存在差异；而采用传统室内制备方式获取的试样，该试样所具有的固化强度和变形特征，是不能准确反映充填体在其他高度位置的固化强度和变形特征的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法，能够同时完成多个试样的制备，并且所制备的多个试样能够分别表征充填体的表层部分、中层部分和底层部分，通过对多个试样进行相同条件下的单轴压缩实验，能够准确反映充填体在不同高度位置的固化强度和变形特征。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，包括工作台、模具组件和载荷施加组件，模具组件和载荷施加组件均位于工作台上；所述模具组件包括一号模具、二号模具、三号模具及四号模具，所述一号模具、二号模具、三号模具及四号模具结构相同，均包括底板、筒体及压块，所述底板放置在工作台上表面，所述筒体竖直安装在底板上表面，所述压块位于筒体顶端筒口内，试样位于筒体内；所述载荷施加组件包括支架、一号应力加载机构和二号应力加载机构，一号应力加载机构与三号模具配合使用，二号应力加载机构与四号模具配合使用；所述一号应力加载机构和二号应力加载机构结构相同，均包括杠杆、压头、砝码挂架及砝码；所述杠杆一端铰接在支架上，所述砝码挂架吊装在杠杆另一端，砝码位于砝码挂架上；所述压头位于压块上方，压头顶端与杠杆接触配合。

所述筒体采用两瓣式组合结构，拆模时方便试样取出。

在所述压块与底板之间连接有LVDT位移传感器。

在所述底板上表面设置有声发射探头和热电偶型温度传感器。

在所述二号模具的压块上开设有补水孔。

一种尾矿膏体试样单轴压缩实验方法，采用了所述的单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，包括如下步骤：

步骤一：按照设计要求配制尾矿膏体；

步骤二：将配制好的尾矿膏体分别浇入一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中，再利用捣棒对模具中的尾矿膏体进行捣动，直到尾矿膏体内的气泡被充分去除；

步骤三：分别将一号模具、二号模具、三号模具及四号模具内的压块装回筒体，通过压块将筒体顶端筒口封堵住；

步骤四：将一号应力加载机构的杠杆放下，杠杆通过压头压紧在三号模具的压块上表面，并将设定重量的砝码放置到一号应力加载机构的砝码挂架上；同时，将二号应力加载机构的杠杆放下，杠杆通过压头压紧在四号模具的压块上表面，并将设定重量的砝码放置到二号应力加载机构的砝码挂架上；

步骤五：对一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的尾矿膏体进行养护，在养护期内，每天都需要在相同的时间记录下由LVDT位移传感器、声发射探头和热电偶型温度传感器测得的数据；同时，在养护期内，每天都需要对二号模具中的尾矿膏体进行补水，保证二号模具中的尾矿膏体始终处于恒湿状态；

步骤六：当养护期结束后，分别取出一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的试样，一号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体表层部分，二号模具中的试样9用来表征恒湿状态下的充填体表层部分，三号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体中层部分，四号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体底层部分；

步骤七：将一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的试样分别送入单轴压力机中进行压缩实验，并分别记录下四个试样的固化强度和变形特征。

本发明的有益效果：

本发明的单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法，能够同时完成多个试样的制备，并且所制备的多个试样能够分别表征充填体的表层部分、中层部分和底层部分，通过对多个试样进行相同条件下的单轴压缩实验，能够准确反映充填体在不同高度位置的固化强度和变形特征。

附图说明

图1为本发明的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置的立体图；

图2为本发明的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置的正视图；

图3为一号/二号/三号/四号模具的结构示意图；

图中，1—工作台，2—一号模具，3—二号模具，4—三号模具，5—四号模具，6—底板，7—筒体，8—压块，9—试样，10—支架，11—杠杆，12—压头，13—砝码挂架，14—砝码，15—LVDT位移传感器，16—声发射探头，17—热电偶型温度传感器，18—补水孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，包括工作台1、模具组件和载荷施加组件，模具组件和载荷施加组件均位于工作台1上；所述模具组件包括一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5，所述一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5结构相同，均包括底板6、筒体7及压块8，所述底板6放置在工作台1上表面，所述筒体7竖直安装在底板6上表面，所述压块8位于筒体7顶端筒口内，试样9位于筒体7内；所述载荷施加组件包括支架10、一号应力加载机构和二号应力加载机构，一号应力加载机构与三号模具4配合使用，二号应力加载机构与四号模具5配合使用；所述一号应力加载机构和二号应力加载机构结构相同，均包括杠杆11、压头12、砝码挂架13及砝码14；所述杠杆11一端铰接在支架10上，所述砝码挂架13吊装在杠杆11另一端，砝码14位于砝码挂架13上；所述压头12位于压块8上方，压头12顶端与杠杆11接触配合。

所述筒体7采用两瓣式组合结构，拆模时方便试样9取出。

在所述压块8与底板6之间连接有LVDT位移传感器15。

在所述底板6上表面设置有声发射探头16和热电偶型温度传感器17。

在所述二号模具3的压块8上开设有补水孔18。

一种尾矿膏体试样单轴压缩实验方法，采用了所述的单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，包括如下步骤：

步骤一：按照设计要求配制尾矿膏体；

步骤二：将配制好的尾矿膏体分别浇入一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5中，再利用捣棒对模具中的尾矿膏体进行捣动，直到尾矿膏体内的气泡被充分去除；

步骤三：分别将一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5内的压块8装回筒体7，通过压块8将筒体7顶端筒口封堵住；

步骤四：将一号应力加载机构的杠杆11放下，杠杆11通过压头12压紧在三号模具4的压块8上表面，并将设定重量的砝码14放置到一号应力加载机构的砝码挂架13上；同时，将二号应力加载机构的杠杆11放下，杠杆11通过压头12压紧在四号模具5的压块8上表面，并将设定重量的砝码14放置到二号应力加载机构的砝码挂架13上；

本实施例中，一号应力加载机构对三号模具4内的尾矿膏体施加1KN的外载荷，用于模拟充填体中层部分受到的挤压应力；二号应力加载机构对四号模具5内的尾矿膏体施加5KN的外载荷，用于模拟充填体底层部分受到的挤压应力；

步骤五：对一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5中的尾矿膏体进行养护，养护期为28天，在养护期内，每天都需要在相同的时间记录下由LVDT位移传感器15、声发射探头16和热电偶型温度传感器17测得的数据；同时，在养护期内，每天都需要对二号模具3中的尾矿膏体进行补水，具体通过压块8上的补水孔18进行补水即可，保证二号模具3中的尾矿膏体始终处于恒湿状态；

步骤六：当养护期结束后，分别取出一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5中的试样9，一号模具2中的试样9用来表征自然状态下的充填体表层部分，二号模具3中的试样9用来表征恒湿状态下的充填体表层部分，三号模具4中的试样9用来表征自然状态下的充填体中层部分，四号模具5中的试样9用来表征自然状态下的充填体底层部分；

步骤七：将一号模具2、二号模具3、三号模具4及四号模具5中的试样9分别送入单轴压力机中进行压缩实验，并分别记录下四个试样9的固化强度和变形特征。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于：包括工作台、模具组件和载荷施加组件，模具组件和载荷施加组件均位于工作台上；所述模具组件包括一号模具、二号模具、三号模具及四号模具，所述一号模具、二号模具、三号模具及四号模具结构相同，均包括底板、筒体及压块，所述底板放置在工作台上表面，所述筒体竖直安装在底板上表面，所述压块位于筒体顶端筒口内，试样位于筒体内；所述载荷施加组件包括支架、一号应力加载机构和二号应力加载机构，一号应力加载机构与三号模具配合使用，二号应力加载机构与四号模具配合使用；所述一号应力加载机构和二号应力加载机构结构相同，均包括杠杆、压头、砝码挂架及砝码；所述杠杆一端铰接在支架上，所述砝码挂架吊装在杠杆另一端，砝码位于砝码挂架上；所述压头位于压块上方，压头顶端与杠杆接触配合。

2.根据权利要求1所述的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于：所述筒体采用两瓣式组合结构，拆模时方便试样取出。

3.根据权利要求1所述的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于：在所述压块与底板之间连接有LVDT位移传感器。

4.根据权利要求1所述的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于：在所述底板上表面设置有声发射探头和热电偶型温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于：在所述二号模具的压块上开设有补水孔。

6.一种尾矿膏体试样单轴压缩实验方法，采用了权利要求1所述的单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：按照设计要求配制尾矿膏体；

步骤二：将配制好的尾矿膏体分别浇入一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中，再利用捣棒对模具中的尾矿膏体进行捣动，直到尾矿膏体内的气泡被充分去除；

步骤三：分别将一号模具、二号模具、三号模具及四号模具内的压块装回筒体，通过压块将筒体顶端筒口封堵住；

步骤四：将一号应力加载机构的杠杆放下，杠杆通过压头压紧在三号模具的压块上表面，并将设定重量的砝码放置到一号应力加载机构的砝码挂架上；同时，将二号应力加载机构的杠杆放下，杠杆通过压头压紧在四号模具的压块上表面，并将设定重量的砝码放置到二号应力加载机构的砝码挂架上；

步骤五：对一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的尾矿膏体进行养护，在养护期内，每天都需要在相同的时间记录下由LVDT位移传感器、声发射探头和热电偶型温度传感器测得的数据；同时，在养护期内，每天都需要对二号模具中的尾矿膏体进行补水，保证二号模具中的尾矿膏体始终处于恒湿状态；

步骤六：当养护期结束后，分别取出一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的试样，一号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体表层部分，二号模具中的试样9用来表征恒湿状态下的充填体表层部分，三号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体中层部分，四号模具中的试样用来表征自然状态下的充填体底层部分；

步骤七：将一号模具、二号模具、三号模具及四号模具中的试样分别送入单轴压力机中进行压缩实验，并分别记录下四个试样的固化强度和变形特征。